Erdzwerge erklären: Kalklösung und Sinterbildung

Ein EarthCache für Entdecker, Steinefans und Experimentierfreudige.

Willkommen bei den Erdzwergen!

Du hast einen EarthCache entdeckt – und nicht irgendeinen, sondern einen mit Zwergenmagie!
Denn Geologie ist nicht nur was für Leute mit Lupe und Labor – sie ist ein Abenteuer unter deinen
Füßen! Unser Erdzwerg-Helferlein versucht für euch die Geologie aus ihrem staubigen
Wissenschaftskämmerlein zu befreien und sie mit Leben, Witz und Entdeckerfreude zu füllen.

Was dich nun erwartet: 

Der Kalksteinbruch in Rüdersdorf – Steine, die Geschichte schrieben

Der Kalksteinbruch in Rüdersdorf bei Berlin ist ein ganz besonderer Ort. Schon seit mehr als 750 Jahren wird hier Kalkstein abgebaut. Aus diesem Gestein entstanden viele berühmte Bauwerke in Berlin – zum Beispiel das Brandenburger Tor oder Gebäude der Museumsinsel.

Kalkstein ist ein Sedimentgestein. Das heißt: Er besteht aus Ablagerungen, die über Millionen Jahre verfestigt wurden. Vor allem die Schalen und Skelette von Meerestieren haben sich hier angesammelt. Der wichtigste Bestandteil ist das Mineral Calcit, chemisch Calciumcarbonat (CaCO₃) genannt. Es ist eines der häufigsten Minerale überhaupt.

In Rüdersdorf liegen die Kalksteinschichten der Trias-Zeit (vor etwa 243–235 Millionen Jahren) an der Erdoberfläche. Das ist ungewöhnlich, denn normalerweise sind sie in Brandenburg tief unter jüngeren Schichten verborgen. Durch Bewegungen im Untergrund („Salztektonik“) wurden sie hier aber nach oben gedrückt. (Siehe hierzu auch Rüdersdorfer Muschelkalk (GC6XEW3)

Was macht Kalkstein denn jetzt so spannend?

Eine seiner besonderen Eigenschaften ist die Löslichkeit in schwach sauren Lösungen. Regenwasser enthält etwas Kohlendioxid aus der Luft und ist dadurch leicht sauer. Es kann Kalk auflösen und an anderer Stelle wieder ablagern. So entstehen faszinierende Naturwunder wie Tropfsteine, Kalktuff oder Sinterterrassen.

Auch in Rüdersdorf kann man zeigen, wie sich Kalk löst – und wie er anschließend wieder Kristalle bildet. Das nennt man Sinterbildung.

Für euer Experiment vor Ort

Damit ihr die Wirkung von Säure auf Kalk beobachten könnt, braucht ihr:

• eine kleine Schale
• etwas Essigessenz
• ein Tuch zum abwischend des Steins nach dem Experiments

Wichtig: Beachtet bitte die aktuellen Öffnungszeiten und Eintrittspreise. (zu finden unter: www.museumspark.de/besuch-planen)

Und ganz wichtig: Bitte nichts aus der Wand schlagen! Auf dem Boden liegen genug Stücke Kalkstein, die ihr nehmen könnt.
 

Dem Erdzwerg zeigen was du gelernt hast?!

Um diesen EarthCache loggen zu dürfen, besuche bitte die angegebenen Koordinaten und beantworte die folgenden Fragen via Messagecenter oder Email.

1. Beschreibe den Kalkstein am Wegpunkt 1: Welche Farbe(n) siehst du? Gibt es Strukturen (z. B. glatt, porös, Fossilien)? Was könnte Wasser chemisch mit Kalk anstellen?

2. Experiment: Tropfe Essigsäure auf ein Kalkstück und lasse es ca. 10 Minuten in der Schale liegen. Was passiert? Vergleiche deine Beobachtung zum Stein mit deiner Beschreibung aus Frage 1 nach dem Experiment.

3. Stell dir vor, Regenwasser fließt über viele Jahre über Kalkstein. Was könnte dadurch entstehen?

4. (Optional, gleichzeitig sehr spannend): Nimm ein Stück Kalkstein mit nach Hause. Lege es in eine Schale, übergieße es mit Essigsäure und warte einige Tage, bis der Essig verdunstet ist. Was kannst du beobachten?

5. Pflichtfoto: Mache ein Foto von dir oder einem persönlichen Gegenstand mit dem Kalkstein vor Ort – am besten beim Experimentieren.

Jetzt kommen Informationen zum Kalkstein – und wie er in Rüdersdorf entstanden ist?

Kalkstein ist ein Gestein, das zum größten Teil aus Calciumcarbonat besteht. Die häufigsten Minerale darin heißen Calcit und Aragonit. Je nachdem, was noch dazugemischt ist, bekommt Kalkstein verschiedene Namen: Dolomit (CaMg(CO₃)₂), Tonminerale, Quarz oder Gips. Je nach Mischung spricht man u. a. von Dolomitstein (dolomit-reich) oder Mergel (ton-reich). Enthält der Kalk organische Substanz, spricht man von bituminösem Kalk („Stinkkalk“).

Entstanden ist Kalkstein meist im Meer:

• chemisch aus übersättigten Lösungen (z. B. durch Erwärmung oder Verdunstung) ausgefällt,
• oder biogen, wenn Organismen (Algen, Schalen- und riffbildende Tiere) Kalkskelette bilden und/oder durch CO₂-Entzug das Wasser zur Ausfällung anregen.
• oder als weiter Bildungsweise durch die Ansammlung und Ablagerung kalkiger Schalen- und Skelettreste auf dem Meeresboden

Unter dem Druck nachfolgender Sedimente werden diese Kalkschlämme entwässert, verdichtet und verfestigt. In warmen Flachmeeren entstehen so mächtige karbonatische Abfolgen; im Süßwasser bilden sich Kalksteine an Quellen (Sinterkalk) oder in Höhlen (Tropfstein-Kalk).
 

Was sind die charakteristischen Merkmale von Kalkstein?

Wenn es sich nicht gerade um klassische Kalkformationen, wie Karstphänomäne (bspw. Rillen und Karren), Tropfsteine oder Sinterüberzüge handelt, ist Kalkstein nicht leicht in der Natur zu erkennen.Er kann weiß, grau oder beige sein, mal glatt, mal mit Fossilien durchzogen. Seine Härte ist gering (Mohs-Härte 3) – man kann ihn mit einer Kupfermünze ritzen. Die frischen Bruchflächen matt bis glasig.

Allerdings gibt es einen einfachen und sehr deutlichen Test: Kalkstein reagiert in Kontakt mit einer schwachen Säure!
 

Chemie zum Mitmachen – was passiert da eigentlich?

Jetzt zum Herzstück dieses EarthCaches: Was passiert, wenn Kalk und Säure aufeinandertreffen?

Kalkstein besteht aus Calciumcarbonat (CaCO₃). Kommt er mit einer schwachen Säure in Berührung (wie Essigsäure oder Kohlensäure im Regen), passiert Folgendes in Kürze zusammengefasst:

Vorbereitung des Experiments	Der Kalkstein reagiert mit der Essigsäure

Kalkstein besteht überwiegend aus Calciumcarbonat (CaCO₃). Regenwasser nimmt Kohlenstoffdioxid (CO₂) aus der Atmosphäre und dem Boden auf, wodurch Kohlensäure gebildet wird. Diese leicht saure Lösung löst Calciumcarbonat aus dem Kalkstein und wandelt es in eine Hydrogencarbonat-Lösung um. Sobald das Wasser CO₂ verliert – etwa durch Erwärmung, Verdunstung oder Photosynthese – kommt es zu einer Übersättigung der Lösung. Das überschüssige Calciumcarbonat fällt dann als Calcit oder Aragonit aus und lagert sich als Sinter in Form von Kristallhäuten, Tropfsteinen oder Krusten ab

Für die, die es ganz genau wissen möchten,

schauen wir hierbei einmal auf die detaillierten chemischen Prozesse im Kontext unseres Experiments mit der Essigsäure, die in unserem Fall als Beschleuniger wirkt.

Legende: (s) = solid (fest), (aq) = aqua (in Wasser gelöst), (l) = liquid (flüssig), (g) = gasförmig

1. Lösung von Kalkstein in Essigsäure

Im Experiment mit Haushaltsessig (5–15 % Essigsäure, CH₃COOH) geschieht Folgendes:

CaCO₃(s) + 2 CH3COOH(aq)  ⇒ Ca²⁺(aq) + 2 CH₃COO⁻ (aq) + H₂O(l) + CO₂(g)↑

• Das feste Calciumcarbonat (CaCO₃) wird durch die Säure angegriffen.
• Es entstehen Calciumionen (Ca²⁺) und Acetat-Ionen (CH₃COO⁻) und Wasser (H₂O)in Lösung.
• Gleichzeitig entweicht CO₂-Gas ⇒ sichtbar als Bläschen.

Dieser Prozess läuft in der Natur ähnlich ab:
Dort sorgt schwache Kohlensäure im Regenwasser (H₂O + CO₂  ⇒ H₂CO₃) für die Lösung von Kalkstein. Es entsteht Calciumhydrogencarbonat. Dieses ist wasserlöslich und kann im Wasser durch Niederschläge oder Gewasser transportiert werden. 
 

2. Rückfällung von Calciumcarbonat (Kristallbildung = Sinter)

Wenn das Wasser langsam verdunstet oder CO₂ entweicht, ändert sich das chemische Gleichgewicht. Die gelösten Calciumionen können sich wieder mit Carbonat-Ionen verbinden und Calciumcarbonat fällt aus:

Ca²⁺(aq) + CO₃²⁻(aq)  ⇒   CaCO3(s)ℯ  

• Es lagern sich feine Kristalle von Calciumcarbonat (CaCO₃) ab, die sich mit der Zeit als feste poröse Strukturen entwickeln.
• Diese setzen sich als Überzüge oder kleine Kristallhäute ab – im Glas am Rand, in der Natur an Tropfsteinen oder Quellterrassen.
• Bei dieser Kristallbildung spricht man auch von Kalksinter.

Dieser Prozess läuft in der Natur ähnlich ab:
Wenn sich die chemisch-physikalischen Bedingungen – beispielsweise durch Erwärmung, Druckentlastung, Verdunstung oder Entgasung von CO2 ändern, zerfällt auch hier das Calciumhydrogencarbonat wieder in die Bestandteile unlösiches Calciumcarbonat (CACO₃), Wasser (H₂0) und Kohlendioxid (CO2). So entstehen über Jahrtausende Tropfsteine, Sinterkrusten oder Kalktuff-Formationen. Gleiche Effekte können wir bspw. in Wasserkochern, technischen Anlagen, an Betondecken und -wänden beobachten.

In der Natur dauert dieser Prozess Jahrtausende – bei euch zu Hause im Glas geht es in Miniatur und viel schneller. Euer kleines Experiment zeigt also genau das, was auch in Höhlen, an Quellen oder in Wasserkochern passiert: Kalk löst sich – und bildet später neue Kristalle.

Quellen:

https://de.wikipedia.org/wiki/Kalkstein
https://de.wikipedia.org/wiki/Diagenese
https://de.wikipedia.org/wiki/Sinter
https://www.museumspark.de/ausstellungen-geologie
https://lbgr.brandenburg.de/sixcms/media.php/9/4_Geoatlas_104-159.pdf
chemie.de/lexikon/Kalkstein.html